Finite element analysis in a cloud computing environment

Bu tezde, bulut bilişim ortamında çalışan büyük ölçekli bir yüksek başarımlı hesaplama düzeneği kurulumu sırasında karşılaşılan güçlükler ve öğrenimler aktarılacaktır. Özel olarak çevrimiçi bir mekanik yapısal analiz sistemine, genel olarak ise bir çok bilim ve mühendislik alanına uygulanabilecek bu öğrenimler, sonlu elemanlar yöntemine özel bir vurgu yapılarak incelenecektir. Yüksek başarımlı hesaplama ortamlarında aynı anda birden çok farklı türde ve özellikte iş aynı anda bulunurlar. Hizmet sağlayıcının iş gönderen kullanıcıların beklentilerini karşılamak ve aynı anda da yüksek başarım ortamının en verimli şekilde kullanılması gibi birbiriyle çelişen iki kaygıyı dengelemesi gerekmektedir. Böyle bir düzeneğin verimli çalışması için ise küme üzerindeki işlere ve kümenin verili andaki durumuna göre davranabilen akıllı bir zamanlama yönteminin geliştirilmesi kritik önem taşımaktadır. Bu zamanlama yönteminin geliştirilmesi için gerekli ön çalışmalar, kümenin çözümlemeye çalıştığı iş türlerinin anlaşılıp sınıflandırılması, bu yüklerin zaman ve alan ihtiyaçlarının anlaşılması ve nicel olarak tanımlanmasını içermektedir. İkinci aşamada ise, bu iş yüklerinin çok çekirdekli ve çok düğümlü ortamlarda kaynakların verimli kullanılmasının sağlacak şekilde nasıl zamanlanabileceği sorusunun cevabının araştırılması gerekmektedir. Araştırmalar sırasında iş türlerinden ve hesaplama kümesinin gerçek zamanlı durumundan haberdar olan akıllı bir zamanlama yöntemi kullanılarak, kullanıcılar açısından gecikmeleri azaltmanın, hizmet sağlayıcılar açısından ise verimliliği arttırmanın mümkün olduğunu, bu tür durumlarda yaygın olarak kullanılan en kısa olanın önce çözümlenmesi veya agresif olarak bütün kaynakların kullanılması yöntemlerinden daha iyi sonuçlar alınabildiğini gözlemlenmiştir. Bu tezin ilk bölümleri sonlu elemanlar yöntemini bir bulut bilişim hizmeti olarak sunmak için gereken tasarımların ve uygulamarın teknik bir tartışmasını içermektedir. Bu teknik tartışma özünde, kurgulanan yüksek başarımlı hesaplama hizmetinin değişik katmanlarda incelenmesi ve mimarilerin oluşturulmasını kapsamaktadır. İlk olarak yazılım hizmeti katmanına odaklanarak doğrusal denklem takımlarının çözümlerini incelenecektir. Ardından bu incelemeler sırasında hesaplamalara temel oluşturan matrislerin karakteristiklerinin işler kümeye gönderilmeden belirlenmesi ve iş hesaplama değişkenlerinin bunlara göre güncellenmesinin verimliliğinin arttırılmasına ve aynı zamanda gecikmelerin azaltılmasına çok büyük katkıları olduğunu gözlemlediği bulgular paylaşılacaktır. Bu giriş kısmını takip eden diğer bölümlerde ise tasarlanan akıllı zamanlayıcı ve başarıma olan 7.53x hızlandırıcı etkisi deney sonuçları ile beraber gösterilecektir. Başarım üzerine verilecek örneklerin ardından ise veri güvenliği, fiyatlandırma ve taşınabilirlik gibi konular da incelenecektir. İlerleyen bölümlerde ise mühendislik hesaplamalarında yeni yeşermekte olan bir yaklaşım olan yüksek başarımlı bulut bilişim hizmetlerinin kullanılmasının daha etkin hale getirilmesine katkı vermek amacıyla, direkt ve iteratif doğrusal denklem takımı çözücülerinin incelenmesini çeşitlendirilecektir. Ayrıca akıllı zamanlayıcının sadece donanım anlamında hesaplama parametrelerini değil bunun yanı sıra da çözümlenecek işin yapısına göre yazılım parametrelerine de müdahale etmesini sağlamak amacıyla gerçekleştirilen araştırmaların sonuçlarına yer verilecektir. Bu araştırmalar sırasında kullanılan gerçek hayattan alınma doğrusal elastisite problemleri hakkında da kısa bilgilere yer verilecektir. Çeşitli çözünürlüklerde ayrıklaştırılarak örgüleri oluşturulmuş bu modellerin kullanıldığı, geliştirilen akıllı zamanlayıcının değişkenlerini belirlendiği, Cholesky, LU gibi direkt çözücülerin yanı sıra çeşitli Krylov Altuzay Yöntemleri ile de sınandığı deneylerin sonuçlarını paylaşılacaktır. Bu bellek kullanımı, çoklu çekirdek, çoklu düğüm koşum davranışlarını daha sonra lineer elastisite problemlerinin çözümü için gerekli donanım ve yazılım değişkenlerini verimli şekilde ayarlamak için temel olarak kullanabilecektir. Bahsedilen çalışmalara ek olarak ise altyapı servisi katmanına da odaklanıp, yüksek başarımlı hesaplama için uygulama kapları kullanıldığında başarım, yalıtım ve kurulum hızı gibi parametrelerin davranışlarını gözlemlendiği çalışmalara da yer verilecektir. Uygulama kaplarının, fiziksel ve sanal makinalarla davranış farklarının da yorumlanacağı bu kısım tezin son bölümünü oluşturacaktır.